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INTRODUCTION AUXSYSTÈMES INFORMATIQUESINTRODUCTIONMax MignotteDépartement d'Informatique et de Re her he OpérationnelleHttp : //www.iro.umontreal. a/∼mignotte/E-mail : mignotte�iro.umontreal. a

INTRODUCTIONSOMMAIRE

Introdu tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Quatre Composants Essentiels . . . . . . . . . . . . . . 3Hiérar hie ou Niveaux de Ma hines . . . . . . . . . . 5Point de Vue de L'utilisateur . . . . . . . . . . . . . . . . 6Historique de l'Informatique . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Théorie de l'informatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Ra ines de l'ordinateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Modèle de Von Neumann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Modèle Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Composants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Logi iel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Système d'exploitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

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INTRODUCTIONINTRODUCTIONUtilisateurs• Peuvent faire fon tionner des logi ielles d'appli ationsstandard sans omprendre omment il mar he• Programmer un ordinateur ave un langage de hautniveau sans omprendre omment la ma hine exé uteles di�érentes instru tions de e langage• Créer des page Web sans omprendre omment le na-vigateur [browser℄ obtient ses pages à partir d'un serveurWeb• A heter un ordinateur sans omprendre réellement sesspé i� ationsAr hite te Informati iens• En tant qu'utilisateur, il sera ons ient des apa i-tés, for es, faiblesse d'un système informatique donnéet omprendre le jargon des informati iens• En tant que programmeur, il é rira de meilleurs pro-gramme plus rapide et plus e� a e• En tant qu'analyste système, il sera apable d'a heterun système informatique qui réponde aux besoins d'uneappli ation ou d'une entreprise• En tant qu'administrateur système, il sera apable despé i�er, on�gurer, optimiser, mettre à jour un systèmeinformatique

⊲ Meilleure Compréhension ⊳

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INTRODUCTIONCOMPOSANTS ESSENTIELS D'UN SYSTÈMEINFORMATIQUEQuatre Composants Essentiels• Les Données [Data℄ : Représentation fondamentaledes faits et des observations (données numériques, al-phanumériques, graphique, et )• Le Matériel [Hardware℄ : Traite ou manipule les don-nées, les stoker ou les transfert aux omposants d'en-trées ou sorties [input and output devi es℄• Le Logi iel [software℄ : Fournit les instru tions au ma-tériel spé i�ant quel ta he doit être a omplie et dansquel ordre� Logi iel d'appli ation� Logi iel système• La Communi ation : Constitué de logi iel et matérielFournit la apa ité de partager ou traiter les donnéesentre di�érents ordinateurs ou utilisateursAr hite ture = Matériel et Logi ielDonnées et logi iels d'appli ation fournit par l'utilisateur

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INTRODUCTIONCOMPOSANTS ESSENTIELS D'UN SYSTÈMEINFORMATIQUEUn Exemple de Publi ité

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INTRODUCTIONHIÉRARCHIE OU NIVEAUX DE MACHINESHiérar hie de Ma hine• Il existe un on ept de hierar hie ou niveaux en ar- hite ture des ordinateurs ; du niveau la plus haut ouniveau utilisateur (programme d'appli ation) au niveaule plus bas (transistor)• Plus le niveaux d'abstra tion est bas, plus la stru tureinterne de l'ordinateur devient visible et on rète

Transistors & Cables

Portes Logiques

Programme d’application

Langage de Haut Niveau

Langage Assembleur (code Machine)

Unité Fonctionnelle (Mémoire, ALU)

00 IN 01 STO 9902 IN03 ADD 9904 STO 9905 IN06 SUB 9907 OUT08 COB

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INTRODUCTIONPOINT DE VUE DE L'UTILISATEURUn Système d'A hat Par Carte Automatique

Modèle d'Entrée Sortie

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INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUELe Matériel⊲ -500 avant JC L'Aba usPremier Cal ulateur- Permet d'avoir une représentationdu nombre (mémoire)- Et d'e�e tuer une opération sur elui- i ( al ul)⊲ 1642 La Pas alineInventé par B. Pas al 1623-1662- Inventé les plans de ette ma hineà l'age de 19 ans- E�e tue les quatre opérations debase sur des entiers⊲ 1806 Métier à tisser ave arte perforéesInventé par J.M. Ja quard 1752-1834- Les artes perforées jouent le r�le de pro-gramme et ontr�le le motif du tissage- La plupart des ma hines détruits par les anuts- 1000 en servi e en 1812

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INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUE⊲ début 1800 Ma hine AnalytiqueInventée par C. Babbage 1791-1871- Utilise des artes perforées pour les don-nées, d'autres artes pour les programmesainsi que de l'espa e mémoire pour le al ulinterne- Séle tion des quatre opérations de base- Test le signe du nombre ave un pro-gramme de bran hement- Séquen e des opérations spé i�ées par desinstru tions sur des artes perforées dédiéesà ette ta he- Mémoire de 100 50-digits nombres dé i-maux

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INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUE⊲ 1937Le Mark 1Premier al ulateur ele tro-mé anique à registre onçupar H.H. Aiken (1937) & asso iés (à Harvard)ave l'aide de fond d'IBM-Inspiré dire tement des travaux de C. Babbage. Com-posé de 765299 éléments (poids de 5 tonnes)-Numérotation dé imal (sto kage de 72 nombre dé imalde 23 digits)-Une ma hine similaire a été onstruite à la même époquepar Conrad Zuse en Allemagne⊲ 1939 ABCInventé par J. Atanaso� 1903-1994-Le premier totalement éle tronique(utilisant des tubes à vide), et à uti-liser le système binaire-Était apable de résoudre des équa-tions à 29 variables, Horloge de 60Hz,1 multipli ation à la se onde, mé-moire de 60 mots de 50 bits9

INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUEPremière Génération (1945-55) : Les tubes à vides⊲ 1943-46

L'Enia Ele troni Numeri al Integrator and Computer onçupar J.W. Mau hly & J.P. E kert(Université de Pensylvanie)- Commandé par l'armée de l'air pour e�e tuer des al- uls balistiques- 23 m3, 30 tonnes, onsommation 200 kiloWatts, 18000tubes à vide (70K résistan es, 10K ondensateurs, 1.5Krelais, 6K ommutateurs manuels)- Sto kage de 20 nombres dé imal de 10 digits + 100nombres en ROM- Cal ul en arithmétique dé imal (5000 additions/se ),entrée et sortie utilisant des artes perforées et pro-gramme âblé manuellement- Une erreur toute les 5.6 heures de al ul en moyennes !

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INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUE⊲ 1945 L'Edva Inventé par J.V. Neumann 1903-1957-ENIAC onsultant, proposa unnombre d'amélioration-Mémoire sto kant le programme etles donnés (Con ept de programmestoké en mémoire)-Traitement et al ul des données en(arithmétique) binaires et représenta-tion des instru tions du programmeen binaire- Utilise la logique booléenne etexploite la relation naturelle entre le0/1 et le ON/OFF du tube à videAr hite ture : Mémoire, CPU (ALU, CU), entrées/sorties,jeux d'instru tion

Se onde Génération (1955-65) : Les transistorsInventé par les labs. Bell (1948)par J. Barden, W. Bratten, & W.Sho ley

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INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUE⊲ 1957 TX-0(Transistorized eXperimental omputer 0) Construit au MIT- Le premier ordinateur à base detransistor⊲ 1961 PDP1Le premier mi ro-ordinateur abor-dable ($ 120 000) Construit parDEC- 8 K o tet de mémoire- 50 onstruits- Le premier jeux vidéo (Spa e-War) a été onstruit sur ette ma- hine au MIT⊲ 1965 PDP8(Le premier mi ro-ordinateur dif-fusé massivement (50 000 à $ 16000) Construit par DEC- Le premier à utiliser un bus dedonnée 12

INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUETroisième Génération (1965-80) : Les ir uits intégrés

⊲ 1971 Premier mi ropro esseur, Inventépar Intel- 2300 transistors, 8 K o tet demémoire, 46 instru tions- vitesse d'horloge : 108 KHz- Traite des données de 4 bits, 16registres de 4 bits⊲ 1976 Premier Super-ordinateur inventé parSeymour Cray- Puissan e de al ul de 160 méga�ops(8 millions $). Mémoire de 8 MegaO -tets- Réfrigéré par la gaz Fréon- Le premier système fut installé au la-boratoire national de Los Alamos⊲ 1981 Premier ordinateur personnel d'IBM- OS fait par Mi rosoft breveté sous lenom de MS-DOS 1.0- vitesse d'horloge 4.77 Mhz 13

INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUEQuatrième génération (1980- ?) : VLSI, ULSIÉvolution des mi ropro esseurs

8086 80386 80486 Pentium(1978) (1985) (1989) (1993)0.33 Mips 5 Mips 20 Mips 60 Mips29 K Trans. 275 K 1200 K 3100 KBus : 16 Bits 16 Bits 32 Bits 32 Bits

Pentium 2 Pentium 3 Pentium 4 Penryn(1997) (1999) (2000) (2007)300 Mips 500 Mips 1500 Mips 6500 Mips7500 K Trans. 9500 K 42 M 400 MBus : 32 Bits 32 Bits 32 Bits 64 BitsDemain ?Intel Gulftown Kiefer (RoadMap), prévu pour 2010, 32 ores,plusieurs Milliards de Transistors ? 14

INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUELoi de MooreLoi empirique postulé en 1965 par G. Moore, ingénieuret o-fondateur d'intelInitialement : Le nombre de transistors que l'on peutintégrer sur un pou e arré de sili one double tous les12 mois, véri�é jusqu'à e jour mais tous les 18 mois

La puissan e de al ul des ordinateurs doubletous les 18 mois pour le même prix⊲ Le prix des ordinateurs hute de moitié tous les18 mois pour la même puissan e de al ul !En tenir ompte pour le développement d'un projet !

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INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUESuper Cal ulateur

Earth Simulator (ES)Installé au Japon a l'Agen e spatiale japonese NASDA(2003)- 5120 CPUs (640 x 8) NEC 500 Mhz- Puissan e de al ul : 41 TeraFlops (8 GFlops par CPU)- Mémoire de 2 Giga O tets par CPU- 16 GigaO tet par noeudsUtilisé pour la simulation de phénomène limatique, o éa-nique, atmosphérique, te tonique, et .

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INTRODUCTIONSystème IBM RoadRunner 2009

Puissan e de al ul• 1 PetaFlops (10

15 Ops. virgules �oat.)Ar hite tureMixte sous Linux : 6.948 AMD Opteron bi oeurs +3.474 serveurs IBM lame (pro esseurs Cell)InstalléLab. national du dept. de l'énergie USA (Los Alamos)Re her heRoadrunner sera utilisé dans les domaines des testsd'armes nu léaires (impa t du vieillissement des têtes),du limat, de l'énergie et de la re her he fondamentale17

INTRODUCTIONSystème IBM BlueGene

Puissan e de al ulen 2009 ...• Atteinte : 1105 TeraFlops (1.1 × 10

15 Ops. en �oats)( ad 1.1 PetaFlops)InstalléUniversité de Californie au L. Livermore National Lab.Re her heSimulation d'essais nu léaires numériques (impa t duvieillissement des têtes nu léaires) . . .

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INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUEThéorie de L'informatique⊲ 1697 Gottfried Wilhelm Leibnitz (1646-1716)Inventeur de la al ulatri e apable d'exe uterautomatiquement les quatres opérations arith-métiques (ajouta un mé anisme permettantd'A elerer et surtout automatiser l'exe utiondes additions et soustra tions répétitivesexigées par les multipli ations et divisions)⊲ 1854 George Boole (1815-1864)Dans �les lois de la pensée� il posa les fonde-ments de la théorie de la logique binaire et desprobabilités. Boole appro ha la logique ave l'outil algèbrique (logique booleenne)⊲ 1936 Alain Turing (1912-1954)Dans �A propos des nombres al ulables� où iltraite des problèmes théoriquement impossiblesà résoudre, il énon e les prin ipes d'unema hine universelle, purement imaginaire, Lama hine de Turing, qui pré�gure les ara téris-tiques de l'ordinateur moderne

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INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUEThéorie de L'informatique⊲ 1948 Claude E. Shannon (1916-2001)Dans sa thèse publiée au MIT (1938), ClaudeShannon reprenant les idée de Leibniz et deBoole �t le rappro hement entre les nombresbinaires, l'algèbre booleenne et les ir uitséle triques⊲ 1945 John V. Neumann (1903-1957)Proposa la onstru tion de l'EDVAC, ma hinemodèle de l'ordinateur tel qu'on le onçoit àprésent. Il a omplit une abstra tion géniale dusystème de ommande de la ma hine en pro-posant d'enregistrer le programme en mémoireCara téristiques de l'ordinateur selon Von Neumann :• Une ma hine universelle ontr�lée par programme• Les instru tions du programme sont odées sous formenumérique (binaire) et enregistrée en mémoire• Le programme peut modi�er ses propres instru tions,qui sont normalement exé utées en séquen e touten permettant une possible rupture de séquen e

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INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUERa ines de l'ordinateur

C. Babbage

J.V. Neumann

L’ArithmétiqueMécanisation de

Mathématique

C.E. Shannon

G.W. Leibniz

G. Boole

Logique

Électromécanique

Électronique

Mécanique

Automates

Technologie

ENIAC

EDVAC

A. Turing

B. Pascal J.M. Jacquard

Industrie Informatique

L'a adémie Fran aise publia en 1965 ette dé�nition de l'informatique :La s ien e du Traitement rationnel de L'information onsidéré omme le support des onnaissan es dansles domaines s ienti�ques, é onomiques et so iaux no-tamment à l'aide de ma hines automatiques21

INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUEModèle de Von Neumann

CPU1. ALU Unité ou l'Arithmétique et les al uls LogiquesBooléens sont e�e tués2. UC Unité qui Control le traitement des instru tionset le mouvement interne des données du CPU d'unepartie du CPU à une autre3. L'unité d'interfa e qui transfert les instru tions duprograme et les données entre le CPU et d'autres om-posants hardware (via un bus) 22

INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUEModèle Bus

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INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUEComposants

CPU Carte mère Mémoire (RAM)

Alimentation Carte d'extension (I/O)

Cable Bus 24

INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUELogi iel1. Logi iel d'Appli ation Programme développés pardes entreprises de logi iels ou par les utilisateurs eux-mêmeExemple : Mi rosoft Word, Nets ape, Photoshop, et .Trois types d'apli ation :- Cal ul S ienti�que- Gestion- Conduite de pro essus2. Logi iel Système S'o upe de gérer les di�érentesressour es de la ma hine ( harge et exe ute les progsd'appli ations, manipule les � hers, gère les Entrées/Sorties,fa ilite la ta he du programmeur en lui o�rant un a èssimpli�é aux ressour es de la ma hine, et .Exemple : Windows, Linux, et .Le système d'exploitation est omposé de plusieurs om-posants dont le plus visible est l'interfa e graphiqueou API• Gestion de fenêtre, � hiers, d'entrées/sorties• Exe ution de programme• Communi ationExemple : Windows, Kde (pour linux), et .

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INTRODUCTIONHISTORIQUE DE L'INFORMATIQUESystème d'Exploitation

KernelGère : espa e mémoire et temps pour les appli ations, ommuni ation entre programme, sé uritéSystème de Gestion de Fi hierGère : Allo ation, opie, e�a ement, nom re her he des� hiersOS :• Presque toujours sto ké sur le disque dur• Le Bootstrap ou IPL (Initial Program Load) du sys-tème d'exploitation (OS) est sto ké dans l'ordinateur,dans une ROM- Outils pour tester le système- Charge le reste de l'OS à partir du disquedur ou du réseau 26